Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

11 коротким импульсом происходит быстрое включение силового транзистора 1, открытое состояние которого поддерживается за счет обмотки 3 положительной обратной связи трансформатора тока 2. При отпирании коротким импульсом выключающего транзистора 12 происходит форсированное запирание силового транзистора 1 через малое внутреннее сопротивление источника смещения 15. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Цель - расширение области применения преобразователя путем уменьшения времени переключения силового транзистора. Преобразователь содержит силовой транзистор 1, силовой трансформатор 6, трансформатор тока 2, включающий 1.1 и выключающий 12 транзисторы и источник смещения 15. При отпирании включающего транзистора

Изобретение относится к технике средств вторичного электропитания радиоэлектронных устройств, а именно к высокочастотным преобразователям напряжения, и предназначено для использования в источниках электропитания (ИВЭ) аппаратуры связи.

Известен стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий силовой транзистор, силовой трансформатор, устройство обратной связи, включающее в себя узел гальванической развязки. Особенностью этого преобразователя является реализация релейного (двухпозицион- ного) принципа регулирования, причем силовой транзистор включается импульсом управления и удерживается в открытом состоянии обмоткой силового трансформатора.

К недостаткам этого устройства можно отнести значительный разброс базового тока транзистора от питающего напряжения. Таким образом, имеются значительные потери в цепи управления силовым транзистором, что приводит к снижению КПД всего преобразователя. Кроме того, избыточный базовый ток вызывает увеличение времени рассасывания неосновных носителей в базе силового транзистора, что приводит к ограничению функциональных возможностей всего устройства, т.е. области его применения для высоких частот преобразования.

Известен преобразователь напряжения, который содержит силовой транзистор, силовой трансформатор, трансформатор тока и два управляющих транзистора, связанных с трансформатором тока и обмоткой силового трансформатора.

Данный преобразователь имеет следующие недостатки. Трансформатор тока работает в линейном режиме перемагничивания, поэтому данная схема работоспособна только в режиме с ШИМ. Для преобразователей с ЧИМ или с релейным принципом регулирования необходимо рассчитывать трансформатор тока на самую низкую частоту, что приводит к увеличению габарита трансформатора тока и увеличению потерь мощности в нем. В момент формирования фронта выключения силового транзистора к его переходу база-эмиттер

прикладывается маломощный источник обратного напряжения, поскольку напряжение на запирающей обмотке силового трансформатора уже отсутствует. Это при- водит к увеличению длительности фронта выключения, возрастанию динамических потерь при выключении силового транзистора и, в итоге, ограничивает диапазон рабочих частот преобразователя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь напряжения, который содержит силовой транзистор, силовой трансформатор, трансформатор тока, включающий и выключащий транзисторы. Короткий отпирающий импульс поступает из устройства управления непосредственно на базу силового транзистора, после отпирания которого дальнейшее питание базовой цепи происходит от базовой обмотки трансформатора тока. Последовательно с базовой обмоткой трансформатора тока включен диод, исключающий шунтирование отпирающего импульса низким сопротивлением базовой

обмотки трансформатора тока. При этом базовый ток заряжает конденсатор устройства смещения. По окончании времени открытого состояния силового транзистора устройство управления формирует запирающий

импульс, поступающий на входзэпирающе- го транзистора, который отпирается и подсоединяет конденсатор устройства смещения к переходу база-эмиттер силового транзистора в обратной полярности. Происходит запирание силового транзистора и до поступления очередного отпирающего импульса на база-эмиттерном переходе силового транзистора поддерживается запирающее смещение, поскольку резистор,

включенный между базой и эмиттером силового транзистора, достаточно высокоом- ный, и конденсатор устройства смещения не разряжается до нуля. После поступления очередного отпирающего импульса процесс

повторяется.

Данное устройство имеет следующие недостатки. Энергия, накопленная в конденсаторе устройства смещения, зависит от скважности работы силового транзистора,

что не позволяет эффективно запирать силовой транзистор при работе в режиме

большой скважности, например в режиме перегрузки по току и короткого замыкания на выходе, когда необходимо время открытого состояния силового ключа иметь минимальным и быстро его выключать при большой скважности его работы. Это существенно сужает область применения данного преобразователя особенно на повышенных частотах в устройствах с ШИМ. Кроме того, при работе в режиме большой скважности возникают проблемы с поддержанием запирающего смещения на базе силового транзистора во время его закрытого состояния, поскольку время разряда конденсатора устройства смещения существенно возрастает, а накопленная энергия уменьшается. Это также сужает возможность использования данного преобразователя в системах с ЧИМ и с релейным принципом регулирования.

Отпирание силового транзистора импульсом, поступающим на его базу непосредственно с устройства управления, также является недостатком данного преобразователя, поскольку при работе в режиме непрерывного тока силового дросселя при необходимости иметь длительность фронта отпирания минимальной, мощность отпирающего импульса должна быть достаточно большой, что приводит к умощнению и усложнению устройства управления и является препятствием для применения данного устройства в указанных режимах. Недостатком данного преобразователя является и то.что последовательно с базовой обмоткой трансформатора тока необходимо устанавливать диод для развязки включающего импульса от базовой обмотки, а конденсатор устройства смещения необходимо заряжать до достаточновысокого напряжения, что существенно снижает эффективность применения пропорционально-токового управления силовым ключом в части КПД, увеличивает мрщность и размеры трансформатора тока и всего устройства.

Цель изобретения - расширение области применения за счет уменьшения времени переключения силового транзистора.

Поставленная цель достигается тем, что включение силового транзистора производится узкими импульсами,, поступающими на базу включающего транзистора, в коллектор которого включена обмотка трансформатора тока, а также тем, что на этапе рассасывания заряда в области базы силового транзистора к его эмиттер-базовому переходу прикладывается запирающее на- п ряжение от обмотки силового трансформатора, а на этапе формирования фронта запирания, когда падает напряжение на обмотках силового трансформатора, к переходу эмиттер-база прикладывается напряжение конденсатора параллельной цепи. Это обеспечивает уменьшение времени включения и выключения.

В преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, эмиттер которого подсоединен к первому входному выводу, коллектор соединен через

0 первичные обмотки трансформатора тока и силового трансформатора с вторым входным выводом, а база подключена к первому выводу источника смещения, базовую обмотку трансформатора тока, первый вывод

5 которой присоединен к первому, выводу первого диода, включающий и выключающий транзисторы, базы которых подключены к выходам управления, а эмиттер выключающего транзистора подключен к

0 первому входному выводу, введены второй и третий диоды, включающая обмотка трансформатора тока и дополнительная обмотка силового трансформатора, включенная между базой силового транзистора и

5 первым выводом второго диода, второй вывод которого подключен к коллектору выключающего транзистора и к второму выводу первого диода, при этом включающая обмотка трансформатора тока включена че0 рез третий диод между вторым входным выводом и коллектором включающего транзистора, эмиттер которого подключен к первому входному выводу, а базовая обмотка трансформатора тока включена между

5 вторым выводом источника смещения и первым входным выводом.

Введение запирающей обмотки в силовом трансформаторе и подключение ее через диод к коллектору запирающего

0 транзистора позволяет форсированно рассасывать заряд неосновных носителей в области базы силового транзистора в процессе его выключения. Введение параллельного соединения конденсатора и диод5 но-резисторной цепи, включенной последовательно в цепь базового тока силового транзистора одновременно с диодом, подключенным к коллектору выключающего транзистора, позволяет приложить обрат0 мое напряжение к база-эмиттерному переходу силового транзистора во время формирования запирающего фронта, таким образом сокращается как время рассасывания, так и длительность фронта в процессе

5 выключения. Это дает возможность надежно и быстро выключать силовой транзистор независимо от скважности его работы, что расширяет область применения преобразователя, так как позволяет его использовать как в устройствах в ШИМ с широким диапазоном изменения скважности, так и в устройстве с НИМ, а также в устройствах с релей- ным принципом регулирования на повышенных частотах преобразования.

Введение включающей обмотки в трансформатор тока, соединенной через диод с включающим транзистором, позволяет сделать отпирающий импульс достаточно мощным и уменьшить длительность фронта отпирания силового транзистора, что позво- ляет использовать данный преобразователь как с прямым, так и с обратным включением выпрямительного диода в режиме непрерывного тока дросселя без дополнительного усложнения устройства управления.

На фиг.1 представлена схема преобразователя напряжения; на фиг,2 - диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь состоит из силового транзистора 1, трансформатора 2 тока, его первичной обмотки 3, включающей обмотки 4 и базовой обмотки 5, силового трансформатора 6, состоящего из первичной обмотки 7 и дополнительной вторичной обмотки 8, двух входных клемм 9 и 10, включающего транзистора 11, выключающего транзистора 12, первого диода 13, включенного между коллектором включающего транзистора 11 и первым выводом обмотки 4 трансформатора тока, второго диода 14, включенного между коллектором транзистора 12 и одним из выводов обмотки, 8 силового трансформатора, параллельной CRD-цепи 15, состоящей из конденсатора 16, резистора 17 и диода 18, причем эта цепь включена между базой силового транзистора 1 и одним из выводов базовой обмотки 5 трансформатора тока, к этому же выводу обмотки 5 под- ключен через диод 19 коллектор выключающего транзистора. Другой вывод обмотки 8 силового трансформатора соединен с базой силового транзистора 1, эмиттеры всех транзисторов и другой вывод обмотки 5 подключены к входной клемме 10, а входная клемма 9 соединена одновремен- но со вторым выводом включающей обмотки 4 трансформатора тока и с одним из выводов первичной обмотки 7 силового трансформатора. Другой вывод обмотки 7 через первичную обмотку 3 трансформато- ра тока подключен к коллектору силового транзистора 1, на входы включающего и выключающего транзисторов подаются соответственно включающие и выключающие импульсы управления.

Устройство работает следующим образом.

При появлении управляющего импульса на базе включающего транзистора 11 он открывается и начинает протекать ток по

цепи: +DBX (клемма 9),включающая обмотка 4 трансформатора 2 тока, первый диод 13, включающий транзистор 11, -Квх (клемма 10). Потенциал от базовой обмотки 5 трансформатора тока поступает на базу силового транзистора 1 через CRD-цепь (16, 17, 18). Силовой транзистор 1 начинает открываться. Благодаря наличию положительной обратной связи, осуществляемой трансформатором 2 тока, силовой транзистор лавинообразно открывается и переходит в режим насыщения, а трансформатор 2 переходит в режим трансформации тока. При этом величина токов, протекающих по токовой и базовой обмоткам трансформатора 2 тока, пропорциональна току нагрузки. Напряжение на включающей обмотке 4 трансформатора тока, наведенное от базовой обмотки, в некоторых режимах может превышать входное напряжение, и тогда диод 13 защищает транзистор 11 от обратного напряжения. Если напряжение на обмотке 4 меньше, чем входное, то к закрытому транзистору 11 (так как управляющий импульс узкий) прикладывается разность этих напряжений. При появлении импульса на входе выключающего транзистора 12 он открывается и переходит в режим насыщения. При этом закорачивается через диод 19 базовая обмотка 5 трансформатора тока и резко уменьшается отпирающий базу силового транзистора ток. Одновременно напряжение от дополнительной обмотки силового трансформатора прикладывается к переходу эмиттер-база и запирает его, при этом происходит интенсивное рассасывание избыточных носителей, накопленных в базе силового транзистора, После завершения процесса рассасывания силовой транзистор 1 начинает запираться, поэтому уменьшается напряжение на дополнительной обмотке силового трансформатора. В этот момент времени к переходу эмиттер-база транзистора 1 прикладывается обратное напряжение от конденсатора 16 CRD-цепи, что значительно уменьшает фронт выключения силового транзистора. После отключения выключающего транзистора, ранее открытого в течении времени короткого выключающего импульса и собственного времени рассасывания, на базовой обмотке 5 трансформатора тока образуется отрицательное напряжение. В результате этого происходит размагничивание сердечника трансформатора тока. Время размагничивания определяется интервалом выключенного состояния силового транзистора преобразователя. При работе преобразователя в режиме релейного регулирования низшая рабочая частота неограничена, так как управление включающим и выключающим транзисторами импульсное, а вольт-секундное ограничение, обязательно вводимое в этом случае для силового трансформатора, автоматически ограничивает вольт-секунд- ный интервал для трансформатора тока.

В следующий такт работы преобразователя напряжения приходит очередной короткий импульс на включающий транзистор 11, он открывается, и далее все процессы протекают аналогично описанному.

Формула изобретения 1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, эмиттер которого подсоединен к первому входному выводу, коллектор соединен через первичные обмотки трансформатора тока и силового трансформатора с вторым входным выводом, а база подключена к пер- вому выводу источника смещения, базовую обмотку трансформатора тока, первый вывод которой присоединен к первому выводу первого диода, включающий и выключающий транзисторы, базы которых подключе- ны к выходам управления, а эмиттер

выключающего транзистора подключен к первому входному выводу, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем уменьшения времени переключения силового транзистора, введены второй и третий диоды, включающая обмотка трансформатора тока и дополнительная обмотка силового трансформатора, включенная между базой силового транзистора и первым выводом второго диода, второй вывод которого подключен к коллектору выключающего транзистора и к второму выводу первого диода, при этом включающая обмотка трансформатора тока включена через третий диод между вторым входным выводом и коллектором включающего транзистора, эмиттер которого подключен к первому входному выводу, а базовая обмотка трансформатора тока включена между вторым выводом-источника смещения и первым входным выводом.

«г

п

щ в

1 4 6 8 П

г

П t,MKC

ЈL

2 J

11

Щ тА

d

fl 2 5 ( -Л7 /2

1-д пряней

о г

Z f

0.9A

I

8 Ю ft t,

MKC

. 68 Ю Щ,шс

Фиг. 2

г

П t,MKC

ЈL

rT

d

iwc

/2

/2

Ю 12 t,f«c

8 Ю ft t,

MKC